Central do Reforço de Potência do Escalão de Alqueva

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1 Encontro Nacional BETÃO ESTRUTURAL - BE2012 FEUP, de outubro de 2012 Central do Reforço de Potência do Escalão de Alqueva Carlos Oliveira 1 Verónica Gama 2 Rui Rodrigues 3 Acácio Santo 4 RESUMO A comunicação tem por objetivo apresentar o projeto da central do reforço de potência do Escalão de Alqueva do empreendimento de fins múltiplos de Alqueva. A potência instalada no Escalão de Alqueva vai ser duplicada, passando dos atuais 260 MW para 520 MW. Para o efeito, está em construção um novo circuito hidráulico subterrâneo e uma nova central a céu aberto na margem direita do rio Guadiana. A central será equipada com dois grupos geradores reversíveis, tirando partido duma queda máxima de 72 m entre as albufeiras de Alqueva e de Pedrógão. A obra, que se encontra na fase final de execução, representa mais um investimento do Grupo EDP na energia hídrica, concretizando a orientação estratégica do país pelo investimento em energias renováveis. O circuito hidráulico, dimensionado para caudais máximos de 2x160 m 3 /s e 2x200 m 3 /s, em bombagem e em turbinamento, respetivamente, é constituído pela tomada de água na albufeira de Alqueva, por duas galerias de adução subterrâneas e pela restituição na albufeira de Pedrógão. A tomada de água, com cerca de 30 m de altura, foi executada ao abrigo duma ensecadeira instalada na pré-estrutura de entrada construída simultaneamente com a barragem de Alqueva. As duas galerias do circuito hidráulico têm cerca de 360 m de comprimento e uma secção circular de 8,5 m de diâmetro. A central situa-se no início da albufeira de Pedrógão, sendo constituída por uma estrutura enterrada com 52 m de altura, 40 m de largura e 80 m de desenvolvimento. Estruturalmente, a central é constituída por três corpos de betão armado separados por juntas de retração. As paredes têm espessuras variáveis entre 2,80 m, em zonas correntes, e 4,00 m, na parte betonada contra o maciço rochoso. Localizada praticamente dentro duma albufeira, a estrutura foi dimensionada para resistir a pressões hidrostáticas que, em situação de cheia, podem atingir quase o topo da cobertura, situada ao nível do terreno da plataforma exterior. A cobertura da central é constituída por um sistema de vigas pré-fabricadas, com 20 m de vão e 1,60 m de altura, sobre as quais foram dispostas pré-lajes colaborantes e uma camada de compressão para materializar a plataforma de trabalho. A cobertura tem a particularidade de suportar os transformadores elétricos e parte da subestação da central, pelo que teve de ser dimensionada para as cargas respetivas e para a circulação ocasional de veículos. De referir que os dois transformadores, constituídos por três fases independentes, pesam cada um cerca de 300 ton. 1 COBA Consultores de Engenharia e Ambiente, Serviço de Estruturas, Lisboa, Portugal. cdo@coba.pt 2 COBA Consultores de Engenharia e Ambiente, Serviço de Estruturas, Lisboa, Portugal. vrg@coba.pt 3 COBA Consultores de Engenharia e Ambiente, Serviço de Estruturas, Lisboa, Portugal. rvr@coba.pt 4 COBA Consultores de Engenharia e Ambiente, Serviço de Estruturas, Lisboa, Portugal. a.santo@coba.pt

2 Central do Reforço de Potência do Escalão de Alqueva A restituição é constituída por uma parte inicial formada por galerias enterradas de secção retangular fechada (10x15 m 2 ) e uma zona final em forma de U com muros de altura variável entre 17 e 27 m. Do ponto de vista geológico-geotécnico a obra está inserida numa área em que as rochas evoluíram litologicamente para xistos verdes, intercalados de estreitas camadas lenticulares de mármore branco de granularidade fina a média ou de quartzo. Estas rochas ocorrem sob a forma de bandas estratiformes maciças ou laminadas. O maciço apresenta-se medianamente a pouco alterado (W2-W3), sendo necessário o recurso a fogo para executar a generalidade das escavações. Palavras-chave: Central hidroelétrica, Escavação a céu aberto, Estrutura de betão enterrada. Circuito hidráulico, 1. INTRODUÇÃO A concepção das soluções adoptadas no Projecto de Execução do Reforço de Potência de Alqueva, da responsabilidade da COBA, SA, resultou do desenvolvimento do Projecto Base [1] elaborado após Estudo de Viabilidade [2] conjugado com a opção de equipar a Central II com grupos semelhantes aos existentes na Central I. A COBA foi ainda responsável pela elaboração do projeto de licenciamento e projetos de concurso da empreitada geral de equipamentos e de fornecimento de equipamentos. O dono de obra é a empresa EDP, estando os trabalhos de construção civil a cargo do consórcio HIDROALQUEVA, SA composto pelas empresas ZAGOPE, SA e SOARES DA COSTA, SGPS. A empreitada de fornecimento e montagem de equipamentos está a cargo do consórcio formado pelas empresas ALSTOM, EFACEC e SMM. O circuito hidráulico é constituído pela tomada de água na albufeira de Alqueva, por duas galerias de adução subterrâneas e pela restituição na albufeira de Pedrógão. A tomada de água consiste numa estrutura de betão armado com cerca de 30 m de altura. As duas galerias do circuito hidráulico têm cerca de 360 m de comprimento e uma secção circular de 8,5 m de diâmetro, revestida a betão armado com 0,50 m de espessura. A central (Figura 1) situa-se, da margem direita do rio no início da albufeira de Pedrógão, sendo constituída por uma estrutura enterrada com 52 m de altura, 40 m de largura e 80 m de desenvolvimento. Estruturalmente, a central é constituída por três corpos de betão armado separados por juntas de retração. As paredes têm espessuras variáveis entre 2,80 m, em zonas correntes, e 4,00 m, na parte betonada contra o maciço rochoso. Figura 1-Vista geral da central e restituição 2

3 Oliveira, Gama, Rodrigues e Santo 2. CARACTERIZAÇÃO GERAL DO REFORÇO DE POTÊNCIA LOCALIZAÇÃO Concelho de Portel, Freguesia de Alqueva, na margem direita do Guadiana a jusante a da Barragem de Alqueva. CIRCUITO HIDRÁULICO Diâmetro...8,50 m Desenvolvimento pelo Grupo ,7 m Desenvolvimento pelo Grupo ,432 m CENTRAL HIDROELÉCTRICA Número de grupos...2 Diâmetro da roda...6,0 m Tipo de grupos...reversíveis com roda do tipo Francis Queda bruta média disponível...65 m Caudal unitário médio em turbinamento m³/s Caudal unitário médio em bombagem m³/s Potência em turbinamento (Hméd) MW Potência em bombagem (Hméd) MW 3. GEOLOGIA E GEOTÉCNIA Do ponto de vista geológico-geotécnico a obra está inserida numa área em que as rochas evoluíram litologicamente para xistos verdes, intercalados de estreitas camadas lenticulares de mármore branco de granularidade fina a média ou de quartzo. Estas rochas ocorrem sob a forma de bandas estratiformes maciças ou laminadas. Os planos de xistosidade considerados e respectivos pendores foram conforme representado na Fig. 2. O maciço apresenta-se medianamente a pouco alterado (W2- W3), de difícil escavabilidade com meios mecânicos o que requereu a utilização de explosivo para o seu desmonte. No sentido de reduzir os volumes resultantes de sobrescavação, durante o processo de materialização das superfícies finais dos taludes adotaram-se técnicas de pré-corte. Fig. 2 - Dispersão da atitude da xistosidade na envolvente da escavação da Central. 3

4 Central do Reforço de Potência do Escalão de Alqueva Os taludes da central foram escavados essencialmente em rocha de média a boa qualidade. O modo de rotura previsto no projeto foi através da formação de blocos planares e/ou cunhas com cinematismo positivo. O dispositivo de contenção adotado em geral foi o seguinte: Pregagens com 12 m comprimento, 32 mm de diâmetro, afastadas de 2 x 2 m² (em quincôncio), na zona intermédia dos taludes; e 6 m de comprimento na zona inferior dos taludes; Betão projetado reforçado com fibras de aço, nas zonas intermédia e inferior, com 10 cm de espessura. Vigas ancoradas, com ancoragens de varão (tipo DYWIDAG), de 600 kn afastadas de 3 m na horizontal e com comprimento de 15+5 m. Foram ainda previstos drenos na zona intermédia e inferior, c/4m² (2x2), com 6 m de comprimento (diâmetro 52 mm). A figura Fig. 3 ilustra a escavação da central em fase final. Figura 3- Central. Escavação. Vista geral 4. CONCEÇÃO DA SOLUÇÃO ESTRUTURAL A implantação foi condicionada pela maior facilidade na adaptação de uma plataforma existente cerca da cota (100,00), conjugada com a otimização do comprimento do circuito hidráulico Deste modo a central foi totalmente executada em escavação, desenvolvendo-se entre a cota (43,70), correspondente à fundação dos tubos de aspiração e a cota (96,00), que corresponde à cota da cobertura, do piso de acesso à central e edifícios auxiliares, bem como da plataforma geral exterior onde será implantada a subestação. De modo a otimizar a escavação, parte da subestação foi implantada sobre a cobertura do edifício, assim como os dois transformadores principais A central tem dimensões máximas em planta 39,70 m x 79,10 m, no seu bloco principal. O edifício da central é composto por três corpos separados por juntas de contração munidas de lâminas de 4

5 Oliveira, Gama, Rodrigues e Santo estanqueidade em PVC. O corpo 1 corresponde ao átrio de descarga da central apresentando as dimensões em planta de 23,60 m x 22,5 m e altura de 25,25 m. Os outros dois corpos, correspondentes aos dois grupos e tem as dimensões em planta de 39,70 m x 28,30 m com uma altura total de 52,30 m (Fig. 4 e Fig. 5) 23,60 2,80 23,00 4,00 18,00 22,00 29,30 2,80 2,70 39,70 Figura 4- Corte transversal por um dos grupos da central 79,10 23,00 2,80 Átrio 28,30 25,50 4,00 29,30 3,00 G1 G2 24,00 Figura 5- Corte longitudinal pela central 5

6 Central do Reforço de Potência do Escalão de Alqueva As paredes dos dois corpos principais da central apresentam espessuras que variam entre 2,7 m e 4,00 m entre as cotas 55,00 e 73,00. Acima desta cota a espessura das paredes é constante com valor de 2,80 m, até à cota 89,40 m, passando para 1,80 m até à cota 96,00. O átrio tem paredes com espessura de 2,80 m. As paredes estruturalmente foram dimensionadas como encastradas na fundação e lateralmente nas paredes limítrofes que lhes são perpendiculares. Na fase final foi ainda considerado o apoio conferido pela cobertura. Em fase construtiva a ausência da cobertura obrigou a considerar um modelo de cálculo sem o apoio desta. As principias ações consideradas no dimensionamento das paredes foram o impulso das terras e a pressão hidrostática. Em situação de NMC na barragem de Pedrógão o nível freático instala-se até à cota 96,00 m, ou seja o topo da estrutura. Esta foi uma das principais condicionantes para a conceção da estrutura. Foram consideradas as combinações de acções correspondentes aos cenários sem nível freático, com nível freático ao nível NPA (84,80 m) na verificação do Estado Limite de Serviço de Fendilhação e com nível freático ao nível NMC (96,00 m) na verificação do Estado Limite Último. A abertura de fendas admissível considerada foi de wk adm = 0,2 mm nas superfícies em contacto com água e/ou terreno e de 0,3 mm nas restantes. No que de refere à cobertura foi adotada uma solução com vigas pré-fabricadas (Fig. 6) de 21 m de vão e pré-lajes colaborantes com camada final de compressão. A viga foi armada com esperas para a ligação às paredes da central. VIGAS V1 e V3 VIGA PF MACICA INICIAL VIGA PF INICIAL Lado Jusante VIGA PF MACICA INICIAL 3.75 m Lado Montante 1.5 m m 21.0 m Figura 6 Viga de cobertura. Secção tipo. As galerias do circuito hidráulico têm uma secção circular de 8,5 m de diâmetro, revestida a betão armado com 0,50 m de espessura. O trecho de jusante é blindado em 60 m, tendo-se optado, que o envolvimento da blindagem fosse realizado com betão sem armaduras. 5. METODOLOGIA DE CÁLCULO 5.1 Modelos de cálculo Os três corpos da central foram dimensionados com recurso a modelos tridimensionais de elementos finitos desenvolvidos para o programa de cálculo SAP2000 (Fig. 7 e 8) 6

7 Oliveira, Gama, Rodrigues e Santo Figura 7 Modelo de cálculo do Grupo 1 para as fases construtiva e de serviço (visto do G2) Figura 8 Modelo de cálculo do Grupo 2 para as fases construtiva e de serviço (visto do G1). As soleiras foram dimensionadas com modelos planos de elementos finitos apoiadas no maciço rochoso. Adotou-se um maciço rochoso com módulo de elasticidade de 15 GPa, conduzindo a um módulo de reação, para efeitos de modelo de cálculo de kn/m 3, simulado com apoios elásticos a funcionar só em compressão. O estudo das várias secções das galerias foi realizado através de duas metodologias distintas, uma para o cálculo dos esforços devidos a carregamentos exteriores às galerias, e outra para carregamentos interiores (pressão interna). A obtenção dos esforços devidos a ações externas foi realizada com recurso a modelos de elementos finitos de barra (pórticos planos) e modelos tridimensionais para zonas de geometria mais complexa, sendo a interação com o maciço rochoso simulada com apoios elásticos a funcionar só em compressão. Para valores de RMR s (Rock Mass Ratio) superiores a 70, adotou-se um módulo de deformabilidade do maciço rochoso de E r = 20 GPa e módulo de reação de k s = kn/m 3, para valores e RMR entre 50 e 70 adotou-se E r =5,0 GPa e k s = kn/m 3, para valores de RMR entre 30 e 50 adotou-se E r = 1,5 GPa e k s = kn/m 3. Os valores de RMR foram obtidos a partir dos dados fornecidos da obra dos quais se deduziram a parcela referente à orientação das descontinuidades. 7

8 Central do Reforço de Potência do Escalão de Alqueva Para a obtenção dos esforços devidos a pressões internas, recorreu-se à metodologia definida em ASCE [3], com formulação gráfica e consideração da rigidez do betão entre fendas apresentada em Vaz Rodrigues [4]. A metodologia consiste em compatibilizar as deformações radiais da secção fendilhada e do maciço rochoso envolvente. 5.2 Ações As principais ações consideradas no cálculo foram as seguintes: Soleira Subpressão. Paredes (ver Fig. 9) Impulso hidrostático; Impulso do terreno com γ=23 kn/m 3 e k 0 = 0,426 (Ø=35º). Ação da ponte rolante de ton; Sismo. Figura 9 Paredes da central. Diagrama de ações Cobertura Ação do peso dos enchimentos para formação de caleiras; Ação do peso de dois transformadores de 300 ton; Ação do pórtico rolante de 100 ton.; Ação dos postes do pórtico dos transformadores com uma reação vertical de 400 kn; Sobrecarga geral de 10 kn/m 2 ou veículo tipo II do RSA; Sismo; Temperatura. Galerias Impulso hidrostático da água no interior da galeria; Acão do maciço rochoso; 5.3 Resultados O dimensionamento das paredes foi condicionado pela ação do impulso hidrostático, em situação de fase construtiva, sem o apoio conferido pela cobertura. Nesta situação verificou-se que as paredes principais da estrutura de montante e jusante apresentavam um comportamento de consola com esforços de flexão elevados na ligação com a soleira. 8

9 Oliveira, Gama, Rodrigues e Santo Obtiveram-se momentos fletores Msd da ordem de knm/m (MFreq ) na base das paredes o que conduziu a áreas de armadura de 400 cm2, materializadas com 4 camadas de Ø40//0,125. (Fig. 10) Figura 10 Vista geral da central em fase construtiva Na cobertura as ações condicionantes foram o peso dos transformadores e o peso dos postes. O momento fletor máximo obtido em ELU a ½ vão foi de knm resultando em 18Ø32 (144,8 cm2). Nas galerias a ação condicionante foi a pressão interior. O esforço axial de dimensionamento resultante foi de 140 kn à tração para a zona corrente e de 5200 kn à tração nas zonas de geologia menos favorável (RMR entre 30 e 50). Resultaram respetivamente armaduras circunferenciais por face de Ø16//0,20 (16,1 cm2/m) e Ø32//0,10 (80,42 cm2/m). O volume total de betões previsto em Processo de Concurso foi de cerca de m3, sendo que m3 foram previstos para a central e restituição. A quantidade de aço estimada também em Processo de Concurso foi de ton no total, com ton na central. Uma percentagem significativa deste aço foi prevista nos Ø25, Ø32 e Ø40. CONCLUSÕES Os esforços de cálculo elevados resultantes das ações, condicionadas pela pressão hidrostática, resultaram em densidades médias de armaduras de 115 kg/m3 que em casos pontuais subiram até cerca de 200 kg/m3. Deste modo houve a necessidade da frequente avaliação das estimativas de aço para armaduras a consumir em obra, para atender à necessidade da encomenda atempada, de armaduras, especialmente dos diâmetros superiores. A complexidade elevada deste projeto obrigou a um empenho de toda a equipa de projeto e supervisão, de modo se obterem as soluções mais adequadas e vantajosas ao empreendimento. Refira-se a permanente interação com o fornecedor de equipamentos, de modo a minimizar os impactos nos trabalhos de construção civil. O modelo utilizado pelo Dono de Obra do desenvolvimento do Projeto de Execução em simultâneo (com devida antecipação) com o desenrolar da obra permitiu a referida interação permanente da equipa de projeto com os restantes intervenientes do Reforço de Potência de Alqueva. A Obra encontra-se em fase final de execução prevendo-se a entrada em funcionamento até ao final de (fig. 11). 9

10 Central do Reforço de Potência do Escalão de Alqueva Figura 11 Central. Descida do rotor do Grupo 2 (jul. 2012). AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à EDP, Gestão de Produção e Energia, S.A. a autorização concedida para a publicação deste artigo. REFERÊNCIAS [1] COBA. SA. Reforço de Potência de Alqueva. Projecto (outubro 2007). [2] COBA. SA. Reforço de Potência de Alqueva. Estudo de Viabilidade (março 2007). [3] ASCE. Civil Engineering Guidelines for Planning and Designing Hydroelectric Developments, Volume 2 Waterways (1989). [4] Vaz Rodrigues, R. Crack Controlled Design of RC Pressure Tunnels Considering Rock-Structure Interaction, fib Symposium Prague (junho 2011). 10